李霞 硕士——RV减速器虚拟样机的建造研究

RV减速机虚拟样机的建造研究

研究生：李霞

指导教师：李伟   教授

申请学位门类级别：工学硕士

专业名称：机械设计及理论

研究方向：计算机集成制造

摘要
RV减速器是采用渐开线行星传动和摆线针轮传动相结合的ZK-V行星传动。其主要特点是结构紧凑、速比大而且刚性大，因而越来越广泛地应用于以机器人为代表的机电一体化领域。由于我国现有对该机构的研究方法较依赖于物理样机，无法在产品设计阶段发现潜在的问题并及时给予修改，改进研究方法对其进行必要的性能分析极具现实意义。本论文根据实示工程的需要，在多体动力学理论及有限元分析理论的基础上，借助高端CAD／CAE/CAM软件UG、ADAMS和ANSYS构建的集成系统平台，建立了RV减速器的动力丝仿真与有限元分析的数字化虚拟样机研究环境。
光成的工作主要包括：1.采用基于特征的参数化造型方法，完成RV减速器整机的参数化造型，为系统仿真及有限元分析做好必要的准备，同时通过对整个模型的静态干涉检验，纠正了原有机构中存在的问题。2.利用机械系统仿真软件ADAMS建立了RV减速器虚拟样机模型，并分析了各种修形方式对该机构传动误差与空程角误差的影响，得到较合理的组合修形方式。3.利用有限元分析软件ANSYS建立了RV减速器整机的有限元分析模型，并对其进行模态分析，求出固有频率和振型，研究了机构的振动问题。
本文所采用的分析方法处于当今制造业的前沿地位，是对我国传统机械产品研发模式的大变革，得到的结论对RV减速器的设计和应用具有一定的指导意义。

关键词：RV减速器，动力学仿真，有限元分析，虚拟样机

第一章 绪论
1.1概述

第一台RV(Rotary Vector）减速器于1986年山日本帝人公司研制成功并获得日本专利，主要用于机器人上。RV传动是在摆线针轮传动基础上发展起来的一种新型传动，它具有体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高等一系列优点，比单纯的摆线针轮传动具有更小的体积和更大的过载能力，因而在国内外受到广泛重视，在机器人的传动机构中，已在很大程度上逐渐取代单纯的摆线针轮传动和谐波齿轮传动。我国于1989年由天津职业技术师范学校和天津减速机厂合作研制成功曲柄式减速机（即RV型传动机构）以来，这些年也取得了一些进步。但目前我国近千家企业却没有真正意义上的综合性能物理仿真试验环境，从而在很大程度上阻碍了该类机构的优化与技术含量的进一步提高。究其原因，一方面是造价昂贵、成本高：另一方面是重复设计周期长、智能化程度低，不符合制造业高效、低成本、自动化的市场要求。因此长期以来不能摆脱向外国进口重要、精密减速机构的尴尬局面。虚拟样机仿真理论的提出标志着制造业的变革，该技术是一门综合多学科的技术，以数学、机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和分析技术（如零部件的CAD和Flex有限元分析）集成在一起，提供一个全新研发机械产品的设计方法。它通过设计中的反馈信息不断地指导设计，保证产品寻优开发过程顺利进行。

然而我国大多数相关企业仍停留在传统的设计方法上，研发过程通常要经过设计、样机试制、工业性试验、改进定型和批量生产几个步骤。由于这种基于物理样机的设计研发模式的致命缺陷（成本高、周期长），往往使物理样机的反复性试验不够充分，加上设计人员通常不愿为修改局部而给整机带来不可欲知的结果，这就使我国的机械产品造型、结构和功能严重老化，从而在市场上缺乏竞争能力。这种基于样机制造、试验拘设计方法增加了新产品的研发周期和成本。产品结构越复杂，这种人力、物力、财力的浪费越严重，从而严重地制约了产品质量的提高。虚拟样机技术的出现和逐渐成熟，为解决这些问题提供了强有力的工具和手段。

因此，本课题针对国产品点焊机器人中对RV减速器的迫切需要，运用了国外先进的虚拟样机建造与仿真工具，建立了一个RV减速机虚拟样机的分析环境，同时提出一个从虚拟建模到系统仿真和有限元分析的操作性较强的实现体系。该体系注重理论与矢际相结合，充分体现了高新技术转化为生产力的可操作性与高质量、高效率的特性。

1.2虚拟样机技术简介
虚拟样机技术就是在构建制造物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统沟数字化模型，模拟该产品的各种真实工况进行仿真分析，预测分析该产品的各项性能，从而为改进产品设计，提高产品性能提供理论指导的一种新技术。
该技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法及时一地提供了求解这种问题的有效的快速算法。近年来的计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的人机用户界面。CAD/FEA等技术的发展为虚拟模型技术的应用提供了技术环境。
同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特点:

(l）全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方法存在很多的弊端，比如重复设计、制造周期长等。而虚拟样机技术真正实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程（Concurrent Engineering)，使产品的概念设计阶段就可以迅速也分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。

(2）更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质景。采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型（即虚拟样机）,可以完成无数次物理样机无法讲行的虑拟试验（成本和时间条件不允许），从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。

(3）该技术能帮助用户设计、分析开发几乎所有运动着的系统或产品。从简单的连杆机构、小型机电产品到复杂的车辆、飞机和宇宙飞船，均可建造其虚拟样机。

(4）实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了在一定时间内，通过Internet（或Intranet）临时缔结成的一种虚拟企业。为实现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤显重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。

从虚拟样机技术在工业上成功应用的几个例子可以更加清楚地了解该技术的优越：

1997年7月4日，美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）成功地实现了火星探测器《探路号》在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。但人们并不知道，如果不是采用了一项新技术，这个计划可能要失败。在探测器发射以前，JPL的工程师们运用这项技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻并最后六轮朝上。工程师们针对这个问题修改了技术方案，保证了火星登陆计划的成功；福特汽车公司在一个新车型的开发中也采用了这项技术，其设计周期缩短了70天。全公司充围内，由于采用了这项技术，设计费用减少了4千万美元，制造费用节省了10亿美元。由于设计制造周期的缩短，新车上市早，额外赢利达到其成本的数倍；世界上最大的工程机械制造商卡特皮勒公司的工程师们在经过几天培训后，采用这项技术进行装载机和挖掘机的工作装置优化设计及分析，在一天时间内，他们对工作装置进行了上万个工位内运动及受力分析，很容易地实现了理想的设计。

1.3RV减速器传动特点简介

RV传动作为一种新型传动，从结构上看，其基本特点可概括如下:

(l）传动比范围大

通过改变第一级减速装置中齿轮的齿数Z1和Z2，可以方便地获得范围较大的传动比；其常用的传动比范围为I=57～192。

(2）结构紧凑

传动机构置于行星架的两支承主轴承内侧，可使传动的轴向尺寸大大缩小。
(3）使用寿命长
采用二级减速机构，低速级的针摆传动公转速度减小，传动更加平稳，转臂轴承个数增多且内外环相对转速下降，可提高其寿命。
(4）刚性大，抗冲击性能好
输出机构采用两端支承结构，比一般摆线减速机的输出机构（悬臂梁结构）刚性大、抗冲击性能高。
(5）传动效率高。
因为除了针轮的针齿销支承部件外，其它构件均为滚动轴承支承，所以其传动效率高。
(6）只要设计合理，可以获得高的运动精度。
1.4课题预期目标
本课题总的详细目标为：
1.建立RV减速器整机的实体模型，该模型必须包括所有零件的完整信息，即各零件的表面积、体积、质量、惯性矩、材料和密度等信息，为后面的机械系统动力学仿真分析及有限元分析做准备。
2.根据减速器的传动原理和实际工况，给其施加准确的约束、载荷及激励，完成机构的仿真模型，进行仿真并验证样机建立正确。
3.为与减速器的实际工作环境吻合，对摆线轮进行修形，因实际中修形方式及修形封的选择对RV减速器的传动性能影响极大，研究修形方式和修形量的正确组合，获得当最佳的传动性能。
4.计算减速器整机的固有频率，研究RV减速器的振动问题。
1.5课题意义

一.利用虚拟样机技术研究RV减速器非常必要。RV传动用在机器人中有着任何其它机构均无法比拟的优越，而我国研究它的几家研发中心均没有建立真正意义上的综合性指虚拟样机仿真试验环境，均采用物理样机试制-试验-发现问题-改进-试验-……-结果满意-制造产品，但试验周期长，制造物理样机成本昂贵。虚拟样机技术克服了上述弊端，能够保证效率高、操作方便、质量可靠，成本低廉。
二．本课题对解决工程问题具有实际应用价值。因为以工程应用的实际课题为背景，采月新兴先进的系统动力学理论方法，全面分析RV减速器的整体动力学性能，同时进行尤化设计与故障分析方面的探讨。
三．利用虚拟样机技术研发机构的思维值得推广。以虚拟样机理论为基础，以RV减速器为研究对象，借助现代高新技术，尝试用三维建模、系统仿真、有限元分析软件来创建一个从设计到系统分析的结构体系与实用仿真环境有着深远的意义，如将该方法运用到我国的某些机械行业，能推动我国机械行业的快速发展。

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